Локальные вычислительные сети. Принципы организации ЛВС

1.

1

2.

Учебная дисциплина
«Сети ЭВМ и телекоммуникации в
АСУВ»
Тема 3: «Локальные вычислительные сети»
Занятие 1: «Принципы организации ЛВС»
2

3.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Учебные вопросы:
1. Характерные особенности ЛВС.
2. Состав ЛВС.
3. Топологии ЛВС.
4. Архитектуры ЛВС.
5. Многосегментная организация ЛВС.
6. Методы управления доступом в ЛВС.
7. Стандарты локальных сетей.
3

4.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 1.
Характерные особенности ЛВС

5.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Локальная вычислительная сеть (ЛВС, Local Area
Network, LAN) - компьютерная сеть, обеспечивающая
передачу данных на небольшие расстояния (от
нескольких десятков метров до нескольких
километров) со скоростью не менее 1 Мбит/с.
Примеры ЛВС: Ethernet, Token Ring, FDDI.

6.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Характерные особенности ЛВС
1. Территориальный охват - от нескольких десятков
метров до нескольких километров.
2. Соединяет персональные компьютеры и офисное
оборудование, позволяя пользователям
обмениваться информацией и совместно
эффективно использовать общие ресурсы,
например, принтеры, модемы и устройства для
хранения данных.
3. Интерфейс - последовательный.
4. Отсутствует АПД, так как сигналы передаются в
«естественной» цифровой форме.
5. Устройством сопряжения ЭВМ со средой передачи
используется достаточно простое устройство сетевой адаптер.

7.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Характерные особенности ЛВС
6. Простые топологии: «общая шина», «кольцо»,
«звезда».
7. Отсутствует маршрутизация (3-й уровень модели
OSI).
8. Высокая скорость передачи данных - более 1
Мбит/с.
9. Небольшие затраты на построение сети.
Основные достоинства ЛВС - простота сетевого
оборудования и организации кабельной системы и,
как следствие, простота эксплуатации сети.

8.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 2.
Состав ЛВС

9.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
ЛВС включает:
ЭВМ, обычно персональные компьютеры (ПК),
называемые рабочими станциями;
сетевые адаптеры;
среду передачи (магистраль) - средства
коммуникации, объединяющие все ПК в единую
вычислительную сеть кабельной системой или
радиосвязью.

10.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Сетевые адаптеры (СА) (платы, карты) - для
сопряжения ПК со средствами коммуникации.
Функции, возлагаемые на СА:
магистральные (канальные) - обеспечивают
сопряжение адаптера с ПК и сетевой магистралью;
сетевые функции- обеспечивают передачу данных
в сети и реализуют принятый в сети протокол обмена.

11.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Алгоритм функционирования СА при передаче
кадров содержит следующие этапы (при приёме обратная последовательность):
1. Передача данных. Данные передаются из ОЗУ ПК в
буферную память СА (из буферной памяти СА в ОЗУ
ПК при приёме) через программируемый канал
ввода/вывода, канал прямого доступа к памяти или
разделяемую память.
2. Буферизация - хранение данных во время
обработки в СА и согласование между собой
скоростей передачи и обработки информации
разными компонентами ЛВС.
3. Формирование кадра (сообщения):
сообщение разделяется на кадры при передаче
(кадры объединяются в сообщение при приёме);
к кадру добавляются (удаляются при приёме)
заголовок и концевик.

12.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
4. Доступ к кабелю. Проверяется возможность
передачи кадра в линию связи: для Ethernet
проверяется незанятость линии связи, для Token Ring
- наличие маркера. При приёме кадра этот этап
отсутствует.
5. Преобразование данных из параллельной формы в
последовательную при передаче и из
последовательной формы в параллельную при
приёме.
6. Кодирование/декодирование данных.
Формируются электрические сигналы, используемые
для представления данных.
7. Передача/прием импульсов. Закодированные
электрические импульсы передаются в линию связи
(при приеме принимаются из линии связи и
направляются на декодирование).

13.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Кроме этих этапов при приеме СА вместе с
программным обеспечением ПК распознают и
обрабатывают ошибки, возникающие из-за
электрических помех, конфликтов в сетях со
случайным доступом или из-за плохой работы
оборудования.

14.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 3.
Топологии ЛВС

15.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
В ЛВС наиболее широкое распространение получили
следующие топологии.
«Шина» - кабель (магистраль), к которому
подключены все компьютеры сети.
У
…
У

16.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Кадр, передаваемый от любого ПК, распространяется
по шине в обе стороны и поступает в буферы СА всех
компьютеров сети.
Только тот ПК, которому адресуется данный кадр,
сохраняет его в буфере для обработки.
В каждый момент времени передачу может вести
только один компьютер.
- рабочая станция
- терминатор
- сетевой адаптер

17.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
На скорость передачи данных влияют:
количество компьютеров в сети и их параметры;
интенсивность (частота) передачи данных;
типы работающих сетевых приложений;
тип сетевого кабеля;
расстояние между компьютерами в сети.
Для предотвращения отражения электрических
сигналов на каждом конце кабеля устанавливают
терминаторы, поглощающие отраженные сигналы.
При нарушении целостности сети (обрыв или
отсоединение кабеля), а также при отсутствии
терминаторов, сеть прекращает функционировать.

18.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
«Звезда» («star») - все ПК подключаются к
центральному компоненту - концентратору.
Передаваемый кадр доступен всем ПК сети или же, в
случае интеллектуального концентратора,
работающего на 2-м уровне OSI-модели,
направляться конкретному компьютеру в
соответствии с адресом назначения.
У
У
У
У
У
Концентратор

19.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Основные недостатки топологии «звезда»:
значительный расход кабеля для территориально
больших сетей;
низкая надежность (узкое место - концентратор).

20.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
«Кольцо» («ring») - сигналы передаются по кольцу в
одном направлении и проходят через каждый ПК.
Каждый ПК выступает в роли повторителя,
записывая кадр в буфер сетевого адаптера и затем
передавая их следующему компьютеру.
У
У
У
У
У

21.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
В зависимости от способа передачи сигналов
различают:
пассивные топологии - ПК только «слушают»
передаваемые по сети данные, но не перемещают их
от отправителя к получателю, поэтому выход из
строя одного из компьютеров не сказывается на
работе остальных;
активные топологии - ПК регенерируют сигналы и
передают их по сети.
У
У
…
У
У
У
У
У

22.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 4.
Архитектуры ЛВС

23.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Типы архитектур ЛВС:
одноранговые сети;
сети типа «клиент-сервер»;
комбинированные сети, в которых могут
функционировать оба типа операционных систем
(одноранговая и серверная).

24.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Одноранговые сети (peer-to-peer) - сети с
равноправными ПК, которые могут использовать
ресурсы друг друга.
Некоторые одноранговые сети позволяют
использовать ПК как в качестве рабочей станции в
составе сети, так и в качестве выделенного и
невыделенного сервера.
Такая архитектура оправдана, если:
количество пользователей не превышает 10;
пользователи расположены компактно;
вопросы защиты данных не критичны;
имеется необходимость повысить
производительность и эффективность офисной
деятельности путем совместного использования
файлов и периферийного оборудования.

25.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Достоинства:
умеренная стоимость;
простота построения и эксплуатации (нет
необходимости в сетевом администрировании).
Недостатки:
небольшой размер сети - обычно не более 10 ПК,
образующих рабочую группу;
трудно обеспечить должную защиту информации
при большом размере сети.
Примеры одноранговых сетевых операционных
систем - LANtastic (фирмы Artisoft), NetWare Lite
(Novell).
Поддержка одноранговых сетей встроена в
операционные системы Windows (Windows NT
Workstation, Windows 95 и др.) фирмы Microsoft.

26.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Сети типа «клиент-сервер» содержат:
серверы - мощные компьютеры, которые
разделяют между пользователями ресурсы сети и
управляют доступом к ним;
клиенты - менее мощные компьютеры с
неразделяемыми ресурсами и имеющие доступ к
ресурсам серверов.
Такая архитектура оправдана, если:
в сети планируется работа с единым сетевым
ресурсом, например, одновременная работа
нескольких пользователей с общей базой данных,
расположенной на сервере;
целесообразно сосредоточить все разделяемые
сетевые ресурсы (например, сетевой принтер) в
одном месте и не требуется общение рабочих станций
между собой.

27.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Достоинства:
высокая производительность за счет разделения
ресурсов сети;
возможность организации эффективной защиты
данных;
эффективная организация резервного копирования
данных;
способность поддерживать работу в сети сотен и
тысяч пользователей;
хорошие возможности для расширения.
Недостаток - требуется постоянное
квалифицированное обслуживание администрирование.

28.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Сервер ЛВС - выделенный компьютер, который
предоставляет другим компьютерам доступ к общим
сетевым ресурсам.
Программа, выполняющая соответствующие
запросы, называется службой или сервисом.
Серверы делятся на:
файл-серверы;
прикладные серверы.
Файл-сервер предоставляет доступ к общему
дисковому пространству, в котором хранятся
общедоступные файлы, и, в основном, определяет
возможности ЛВС.
Прикладные серверы - средства расширения
возможностей ЛВС, которые включают: сервер баз
данных, сервер печати, сервер резервирования,
факс-сервер и т.д.

29.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 5.
Многосегментная организация ЛВС

30.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Основной недостаток ЛВС - ограничение на общую
протяженность кабельной сети, составляющую
несколько сотен метров.
Так, для стандарта Ethernet длина сегмента
(расстояние от одной крайней станции до другой)
составляет не более 500 метров.
Максимальное расстояние между двумя наиболее
удаленными друг от друга (крайними) станциями
называется диаметром сети.
Простейший путь увеличения диаметра сети и
количества компьютеров - многосегментная
организация ЛВС с использованием:
нескольких сетевых адаптеров в файл-сервере;
повторителей;
концентраторов.

31.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Наиболее простое решений по увеличению размера
ЛВС - использование нескольких сетевых адаптеров,
что позволит увеличить диаметр сети вдвое.
РС
…
РС
РС
…
СА
РС
РС
…
Сервер
СА
СА
СА
500м
500м
РС
1000м
РС

32.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Достоинство - простота
реализации и
невысокая стоимость.
Недостатки:
необходимость
использования по
дополнительному
сетевому адаптеру (СА)
на каждый сегмент;
большая нагрузка на
сервер и, как
следствие,
невозможность
построения больших (с
большим числом
рабочих станций)
сетей.

33.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Повторитель (repeater) - простейшее сетевое
устройство для построения многосегментных ЛВС,
усиливающий сигнал, полученный с одного сегмента,
и передающий его в другой.
Повторитель принимает сигналы из одного сегмента
кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом
сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а
также синхронизируя импульсы.
Сегмент 1
Сегмент 2
Повторитель
- Т- образный BNC - разъем

34.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Повторитель объединяет идентичные сети и работает
на самом нижнем - физическом уровне OSI-модели.
Достоинства:
простота организации многосегментных ЛВС;
дешевизна.
Недостатки:
значительное повышение
загрузки в обоих сегментах,
т.к. даже «местные»
сообщения одного
сегмента передаются в
другую сеть;
снижение
производительности
(скорости передачи
данных) СПД.

35.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Концентратор (hub / хаб) - сетевое устройство в сетях
на витой паре, в котором концентрируются идущие от
ПК кабели. Через концентратор ПК подсоединяется к
среде обмена данными между станциями ЛВС серверу или магистральному каналу. Простейший
концентратор – многопортовый повторитель,
используется в качестве центрального узла ЛВС с
топологией «звезда».
Сервер
100 Мбит/с
Концентратор
10 Мбит/с

36.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Концентратор может иметь от 8 до 32 портов для
подключения ПК. Увеличение портов достигается
объединением концентраторов в единый стек.
Кроме портов для подсоединения ПК концентраторы
могут иметь разъем для подсоединения к
высокоскоростному магистральному каналу на
коаксиальном или волоконно-оптическом кабеле.
Концентратор 1
Концентратор 2
Концентратор 3
Концентратор 4
Концентратор 5

37.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 6.
Методы управления доступом в ЛВС

38.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
На эффективность функционирования ЛВС
существенное влияние оказывает метод управления
доступом (Access Control Method), определяющий
порядок предоставления сетевым узлам доступа к
среде передачи данных с целью обеспечения
каждому пользователю приемлемого уровня
обслуживания.
Методы доступа к среде передачи реализуются на
канальном уровне OSI-модели.

39.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Методы доступа в ЛВС
Множественный
(неуправляемый)
Случайный
Тактированный
С контролем
несущей…
…и обнаружением
конфликтов (CSMA/CD –
Carier Sance Multiple)
… и с предотвращением
конфликтов (CSMA/CA –
Carier Sance Multiple
Access with Collision
Avoidance)
Маркерный (управляемый)
С освобождением
маркера адресатом
С освобождением
маркера
отправителем
Раннее освобождение
маркера (ETR-Early
Token Release)

40.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Множественный доступ - метод доступа множества
сетевых узлов к общей среде передачи (например,
общей шине), основанный на соперничестве станций
за доступ к среде передачи. Каждая станция может
пытаться передавать данные в любой момент
времени.
Наиболее простой метод доступа к общей среде
передачи - случайный доступ - каждая станция сети
начинает передачу кадра в момент его появления
(формирования), независимо от того, занята общая
среда передачи или свободна.

41.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Если две и более рабочих станций осуществляют
передачу в одно и то же время, то их кадры взаимно
искажаются, и возникает коллизия.
Рис.а - две станции РС1 и РС2 начинают передачу
кадров 1 и 2 в моменты времени t1 и t2. В момент t2
возникает коллизия (рис. б), искажающая оба кадра.
t1
а)
РС 1
t
t2
Коллизия
РС 2
б) ОШ
в) ОШ
Кадр 1
Случайный
Кадр 2
Кадр 1
T
Кадр 2
Тактированный

42.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Коэффициент использования канала связи при
случайном методе доступа составляет около 16%.

43.

Для уменьшения коллизий и увеличения
коэффициента использования канала связи
применяют тактированный доступ - весь временной
интервал разбивается на такты длиной Т, где
значение Т должно быть больше времени передачи
кадра максимальной длины.
Каждая РС может начать передачу кадра только в
начале очередного такта. В этом случае «Кадр 2»
будет передан в другом такте по отношению к «Кадру
1» (рис.в), и коллизия не возникнет.
t1
а)
РС 1
t2
t
Коллизия
РС 2
б) ОШ
в) ОШ
Кадр 1
Кадр 2
Кадр 1
T
Случайный
Кадр 2
Тактированный

44.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Однако коллизии могут возникать в тех случаях, когда
моменты формирования кадров в разных РС
оказываются в пределах одного такта. Коэффициент
использования канала связи увеличивается
незначительно – до 32%.

45.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением конфликтов - РС, имеющая данные
для передачи, прослушивает канал, чтобы
определить, не передаёт ли данные в это время
другая РС. Отсутствие сигнала несущей означает, что
канал свободен и станция может начать передачу.
Однако не исключено, что в течение времени
распространения сигнала по среде передачи другие
РС также начнут передачу своих данных.
Во время передачи РС продолжает прослушивать
канал, чтобы удостовериться в отсутствии коллизии.
Если коллизия не зафиксирована, данные считаются
переданными.
При обнаружении коллизии РС повторяет передачу
через некоторое случайное время. Повторные
передачи повторяются до тех пор, пока данные не
будут успешно переданы.

46.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Множественный доступ
с контролем несущей и
предотвращением
конфликтов - передача
данных предваряется
посылкой сигнала
блокировки (jam) с
целью захвата
передающей среды в
монопольное
пользование.

47.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Маркерный доступ предполагает наличие в сети
кадра специального формата, называемого
маркером, который непрерывно циркулирует в сети и
управляет процессом доступа рабочих станций к
среде передачи данных.
В каждый момент времени данные может передавать
только та станция, которая владеет маркером. РС,
владеющая маркером, присоединяет свой кадр
данных к маркеру и отправляет адресату.

48.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Варианты маркерного доступа:
1) освобождение маркера адресатом: адресат
отсоединяет маркер от данных и может использовать
его для отправки своего кадра, если таковой есть,
или передать маркер другой станции;
2) освобождение маркера отправителем: маркер с
присоединенным кадром данных делает полный
оборот и отсоединяется отправителем, если оно
вернулось без ошибок; в противном случае, этот же
кадр с маркером отправляется повторно;
3) метод раннего освобождения маркера - РС
освобождает маркер сразу после передачи своих
данных и передаёт его другой станции, не ожидая
возвращения отправленного кадра данных.

49.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Вопрос 7.
Стандарты локальных сетей

50.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Основной разработчик стандартов ЛВС - комитет 802,
организованный в 1980 году в IEEE.
IEEE 802.1
общие определения ЛВС
Стандарты
межсетевого
взаимодействия
802.1 Подуровень 1.1.С
802.3
CSMA/CD
(Ethernet)
10 Base-x
802.4
Token
Bus
802.5
Token
Ring
...
Беспроводные ЛВС
802.11
802.16
Физический
уровень
STP 4 Мбит/с
...
100 Gigabit
Канальный
уровень
STP 16Мбит/с

51.

Сети ЭВМ и телекоммуникации в АСУВ
Благодарю за внимание!
51